Ciało zwierzęcia pokrywa grube i miękkie futro. Na grzbiecie jest barwy od szarej do cynamonowej, zdobione plamkami barwy ciemnego brązu czy też czerni, otwartymi jak i ciągłymi, a także podłużnymi paska. Z kolei brzuch zwierzęcia jest biały.
Głowa ocelota nadrzewnego jest krótsza i bardziej zaokrąglona niż u ocelota wielkiego. Zwracają uwagę duże, wyłupiaste oczy. Uszy są z tyłu czarne, pośrodku ozdobione białą plamką, podobnie jak u ocelota wielkiego.
Długi, bujny ogon osiąga jakieś 70% długości głowy i ciała zwierzęcia. Ogon ten zdobią ciemne pierścienie w liczbie 12. Koniec ogona jest czarny.
Duże łapy kończą się ruchomymi palcami. Kotowate znane są z dużych, chowanych w pochewkach pazurów.
Systematyka thumb|left|Ocelota nadrzewnego uważano za jeden gatunek z ocelotem tygrysim Gatunek po raz pierwszy zgodnie z zasadami nazewnictwa binominalnego opisał w 1821 roku szwajcarski przyrodnik , nadając mu nazwę Felis wiedii. Holotyp pochodził z Morro de Arará, nad rzeką , w stanie Bahia, w Brazylii.
Gatunek należy do rodzaju ocelot, obejmującego jeszcze kilka innych gatunków, przykładowo ocelot wielki czy ocelot tygrysi. Rodzaj ten zaliczany jest do podrodziny kotów, jednej z dwóch obecnych podrodzin w rodzinie kotowatych.